DE2814590C2 - Vorrichtung zum Verstetigen der Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften eines Elektromotors - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstetigen der Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften eines Elektromotors, der einen Kommutator, eine zugehörige Bürste und einen Bürstenhalter aufweist, mit einer ersten Einrichtung zum Andrücken der Bürste an den Kommutator mit einer Kraft, die einen ersten Wert aufweist

Auf vielen Gebieten, insbesondere beim Zentrifugieren, ist es erwünscht, daß die vom elektrischen Antriebsmotor einer Vorrichtung bewirkte Beschleunigung oder Verzögerung (Abbremsung) bei niedrigen Drehzahlen möglichst stetig erfolgt Dieses Problem tritt besonders beim Zentrifugieren von Materialien auf. So werden beispielsweise bei Dichtegradienttrennungen Fluide mit unterschiedlicher Dichte in einer Prüfröhre schichtweise übereinander angeordnet, wobei das Fluid mit der höchsten Dichte die unterste Schicht bildet Die zu trennenden Teilchen werden oben auf den Fluidschichten angeordnet.

Dann werden die Prüfröhren in einer Zentrifuge eingesetzt und die Teilchen einer Zentrifugalkraft ausgesetzt.

Wenn die Beschleunigung des Läufers ungleichmäßig ist, wird die Trennung der verschieden dichten Schichten gestört, so daß die Fraktionierung der Teilchen nicht mit der gewünschten Genauigkeit erfolgt. In ännlicher Weise können bei einer Verringerung der Drehzahl, insbesondere bei Erreichen niedriger Drehzahlen, die gleichen Unregelmäßigkeiten und ein abruptes Anhalten den Gradienten-Verlauf stören, das heißt, die Schichten unterschiedlicher Dichte vermischen und die Genauigkeit der Fraktionierung verringern. Auch wenn der Betrag der Beschleunigung und/oder Verzögerung zu huch ist, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, können ähnliche Störungen der Trennung der Schichten unterschiedlicher Dichte auftreten.

Ähnliche Schwierigkeiten können bei allen Arten von Zentrifugen auftreten, ob sie nun schwingende Behälter, im Winkel stehende Rotoren,, vertikale Rotoren aufweisen oder kontinuierlich arbeiten. In al¹ diesen Fällen kann die Fraktionierung oder Trennung der Komponenten sowohl beim Anlaufen als auch beim Anhalten des Zentrifugen-Rotors behindert werden, wenn die Beschleunigung und Verzögerung ungleichmäßig, zu groß, unregelmäßig oder diskontinuierlich ist

Diese während einer Beschleunigung oder Verzögerung bei niedrigen Drehzahlen auftretenden Schwierigkeiten werden in der Regel aufgiund der Verwendung von Bürsten-Elektromotoren verursacht Selbst bei Anwendung größter Sorgfalt ist es nicht möglich, den Kommutator eines Elektromotors genau rund herzustellen, und es treten Spalte oder Unregelmäßigkeiten zwischen den Kommutatorsegmenten auf. Um einen guten Bürstenkontakt während des Betriebs zu erzielen, werden verhältnismäßig hohe Kräfte auf die Bürsten ausgeübt Bei niedrigen Drehzahlen, gewöhnlich unterhalb von 1000 Umdrehungen pro Minute, bewirken diese Bürstenkräfte £<nen pulsierenden oder unregelmäßigen Lauf des Rotors. Dabei können die Bürsten an einem Kommutatorsegment oder -spalt »hängenbleiben«, so daß der Motor abrupt anhält Sodann kann eine ruckweise Bewegung durch eine Änderung des Motorstroms verursacht werden. Dieser Effekt ist jedoch verhältnismäßig unbedeutend im Vergleich zu den Reibungseffekten.

Es ist bekannt die Bürsten vollständig vom Kommutator abzuheben, um einen langzeitigen reibungsfreien Auslauf zu ermöglichen. Derartige Verfahren sind in den US-Patentschriften 32 78 777 und 21 28 598 beschrieben. Obwohl auf diese Weise bis zu einem gewissen Grade das Verzögerungs- bzw. Abbremsproblem gelöst wird, läßt sich dieses Verfahren nicht zur Lösung des Beschleunigiingsproblems anwenden, weil hierbei die Bürsten nicht vom Kommutator abgehoben werden können, da er sonst nicht mit Strom versorgt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Verstetigen der Beschleunigungs- und Ventögerungseigenschaften eines elektrischen Bürstenmolors, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, anzugeben.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine mit der ersten Einrichtung verbundene zweite Einrichtung zum Einstellen der Kraft auf einen zweiten Wert, der kleiner als der erste Wert ist und durch eine auf eine unter einem vorbestimmten Wert liegende Drehzahl des Motors ansprechende dritte Einrichtung zum Betätigen der zweiten Einrichtung derart, daß die Kraft von dem ersten auf den zweiten Wert verringert wird.

Besonders günstig ist es, wenn die erste Einrichtung eine erste Feder mit einer ersten Federkonstanten und eine zweite Feder mit einer zweiten Federkonstanten, die kleiner als die erste Federkonstante ist, aufweist und die zweite Einrichtung derart betreibbar ist, daß sie verhindert, daß die erste Feder die Bürste an den Kommutator drückt. Auf diese Weise kann nur der von der zweiten Feder ausgeübte schwächere Druck die Bürste an den Kommutator drücken. Dies verringert die

Reibung zwischen Bürste und Kommutator und macht die Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften des Motors stetig.

Machstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Darin ist

Fig. 1 eine zum Teil schematisch gehaltene Darstellung einer nach der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung,

F i g. 2 eine Seitenansicht einer zum Teil aufgebrochenen Vorrichtung, die zum Zurückziehen beziehungsweise Abheben einer Bürsten-Feder verwendet werden kann, um den auf den Kommutator ausgeübten Bürstendruck zu verringern, und

Fig.3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 2.

F i g. 1 stellt eine bevorzugte Ausführung einer Vorrichtung zum Verstetigen der Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften eines Elektromotors dar. Der Elektromotor 10 hat zwei Bürsten 12, die gegen den (nicht im einzelnen dargestellten) Kommutator 14 des Motors 10 drücken. Der Motor 10 kann ein herkömmlicher Reihenschluß-Motor sein, wie er gewöhnlich als Zentrifugen-Antrieb verwendet wird. Eine Zentrifuge (beziehungsweise deren Rotor) 16 wird vom Motor 10 über eine als gestrichelte Linie dargestellte Verbindung 18 angetrieben. Diese Verbindung 18 kann ein Antriebsriemen, ein Getriebe oder ein direkter Antrieb sein. Auf die Bürsten 12 wird eine Kraft ausgeübt, so daß sie an den Kommutator 14 mit einem vorbestimmten Druck angedrückt werden, der in an sich bekannter Weise entsprechend der Auslegung des Motors gewählt ist

Diese Kraft wird hier bei beiden Bürsten durch zwei Federn ausgeübt, und zwar eine stärkere Feder 20 und eine schwächere Feder 22, wobei die stärkere Feder 20 eine größere Federkonstante als die schwächere Feder 22 hat Bei den nur schematisch dargestellten Federn kann es sich um Druckfedern, Torsionsfedern, Blattfedern oder eine andere Federart handeln, wie sie üblicherweise zur Ausübung eines Drucks auf die Bürsten eines Elektromotors verwendet werden. Beide Federn sind an einem feststehenden Punkt befestigt Die stärkeren Federn 20 können von Retraktoren 24 über schematisch durch gestrichelte Linien 26 dargestellte mechanische Verbindungen zurückgezogen oder angehoben werden, so daß sie keine Kraft auf die Bürsten 12 ausüben können. Die Retraktoren 24 können eine primäre Antriebseinrichtung aufweisen, die in der Lage ist, die stärkeren Federn 20 so zusammenzudrücken oder zurückzuziehen, daß sie keine Kraft mehr auf die Bürsten \2 ausüben. Derartige Einrichtungen sind beispielsweise Elektromagnete, druckbetätigte Membranen, wie sie zum Beispiel in der US-Patentschrift 21 28 598 beschrieben sind, oder kabelbetätigte Einrichtungen, wie sie in der US-Patentschrift 32 78 777 beschrieben sind.

Nachdem (im Falle des Antriebs einer Zentrifuge) die Prüfröhren in die Zentrifuge 16 eingesetzt worden sind, wird der Motor 10 eingeschaltet. Vor dem Einschalten des Motors 10 werden die Retraktoren 24 eingeschaltet, , so daß die stärkeren Federn 20 zurückgezogen werden und nur die schwächeren Federn 22 eine Kraft auf die Bürsten ausüben. Diese schwächere Kraft ist wesentlich geringer als die, die gewöhnlich bei normalen Betriebsdrehzahlen ausgeübt wird. So wird gewöhnlich bei einem Motor mit eiJtJr Leistung von etwa IV₂ kW (2 HP) eine Federbelastung von etwa 567 g (20 Unzen) angewandt Nach der Erfindung wird die übliche Federbelastung und mithin der Bürstendruck auf einen sehr viel geringeren Wert, etwa bis auf ein Zehntel dos normalen Wertes, also etwa 56,7 g (2 Unzen), verringert Dieser Wert wird dann von den schwachen Federn 22 aufgebracht Auf diese Weise ist eine verhältnismäßig stetige, kontinuierliche Beschleunigung der Zentrifuge im wesentlichen ohne ruckartige Bewegungen möglich, die andernfalls bei niedrigen Drehzahlen durch den auf

ίο den Kommutator wirkenden Bürstendruck hervorgerufen werden.

Diese stetige oder gleichförmige Beschleunigung ist besonders bei Dichtegradient-Trennvorgängen erwünscht und erforderlich, insbesondere wenn, wie bei einem bevorzugten Anwendungsfall, die Prüfröhren in einem vertikalen Rotor angeordnet werden, das heißt so, daß die Achsen der Röhren parallel zur Drehachse der Zentrifuge verlaufen. Während der Beschleunigung wird eine Drehzahl erreicht, bei der der normalerweise vertikale ^parallel zu den Röhrenachsen ausgerichtete) Gradient in einen horizontalen (senkrecht zur Drehachse ausgerichteten) Gradienten umorientiert wird. Nachdem die Umorientierung erfolgt ist und der Gradient horizontal verläuft, ist der Trennabstand zwischen den Schichten oder Bändern des umorientierten Gradienten sehr klein. In dem Zustand wird auf alle Schichten etwa die gleiche Zentrifugalkraft ausgeübt, so daß wegen der mit steigender Drehzahl zunehmenden Zentrifugalkraft die Wahrscheinlichkeit eines Gradien-

jo tenbruchs abnimmt Infolgedessen haben irgendwelche Unstetigkeiten, Ungleichförmigkeiten oder andere Diskontinuitäten in der Beschleunigungscharakteristik einen geringeren Einfluß auf den Gradienten. Der Bürstendruck kann mithin jetzt erhöht und die

J5 Beschleunigung bis zur normalen Zentrifugen-Betriebsdrehzahl bei verhältnismäßig geringer Gefahr einer Störung des Gradienten fortgesetzt werden. Die Feder-Retraktoren 24—26 werden freigegeben, wenn diese Drehzahl erreicht worden ist, so daß die stärkeren Federn 20 die Ausübung des normalen Bürstendrucks auf den Kommutator gestatten.

Beim Verzögern beziehungsweise Anhalten geschieht das Umgekehrte. Die Drehzahl des Motors darf so lange abnehmen, bis ein unmittelbar über demjenigen Wert liegender Wert erreicht ist, bei dem sich der Gradient wieder in die vertikale Lage umorientieren würde, gewöhnlich bei etwa 500 bis 1000 Umdrehungen pro Minute.

An diesem Punkt werden die Retraktoren 24—26 eingeschaltet, um die stärkeren Federn 20 wieder zurückzuziehen, so cTaß die Bürsten 12 nur noch von den schwächeren Federn 22 an den Kommutator gedrückt werden. Die Drehzahl nimmt dann über die für einen Gradientenbetrieb kritische Drehzahl hinaus so lange weiter ab, bis die Zentrifuge schließlich stillsteht. Die geringere Federkraft und die daraus resultierende geringere Reibung ermöglicht eine stetige Drehzahlabnahme mit geringerer Abnahmegeschwindigkeit.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 enthält eine selbsttätige Steuereinrichtung zur Betätigung der Retraktoren 24. Diese Steuereinrichtung weist einen Tachometer-Generator 32 auf, der die Motordrehzahl über e^;ne durch eine gestrichelte Linie dargestellte mechanische Verbindung 34 abtastet beziehungsweise mißt. Der Tachometer-Generator 32 liefert ein Ausgangssignal, dessen Amplitude sich in Übereinstimmung mit der Motordrehzahl ändert. Dieses Signal wird sowohl einer Drehzahlregelschaltung 31 als auch einem Vergleicher 36 zugeführt. Die

Drehzahlregelschaltung 31 kann in herkömmlicher Weise so ausgebildet sein, daß sie die Drehzahl nach einer einstellbaren Beschleunigungskennlinie oder nach einer einstellbaren Verzögerungs- beziehungsweise Abbremskennlinie programmiert und die Betriebsdrehzahl auf einen voreingestellten Wert regelt.

Derartige Regelschaltungen für Zentrifugen sind beispielsweise in der US-Patentschrift 32 62 040 beschrieben. Eine andere geeignete Drehzahlregelschaltung ist in der US-Patentschrift 6 37 540 beschrieben. Die Drehzahlregelschaltung erhält das Drehzahlsignal vom Tachometer 32 und steuert das Tastverhältnis oder die Stromamplitude eines Speisewechselstroms, der den Motor 10 speist. In ähnlicher Weise erhält der Vergleicher 36, der in an sich bekannter Weise ausgebildet sein kann, ein Sollwertsignal, zum Beispiel von einem Potentiometer 38. Wenn der gemessene Istwert der Drehzahl gleich dem von dem Sollwertsignal dargestellten Wert ist. wird beiden Retraktoren 24 ein Signal zugeführt, das sie veranlaßt, die stärkere Feder 20 zurückzuziehen oder freizugeben, je nachdem ob die Zentrifuge angehalten oder beschleunigt wird.

Die Fig. 2 und 3 stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, das die Ausübung der Kraft zweier Federn auf die Bürsten am Kommutator 2> und das Zurückziehen beziehungsweise Abheben der stärkeren Feder durch Betätigung eines Rückzugsmotors gestattet. In diesen Figuren ist ein Teil des Schutzglockengehäuses 40 des Motors 10 (Fig. 3) dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist von dem Motor nur ein Teil, nämlich der Kommutator 11. dargestellt. Das Gehäuse 40 hat eine Stirnseite 42, an der ein Gestell 44 befestigt ist, auf dem ein Getriebe-Synchronmotor 46 angeordnet ist. Der Motor 46 hat einen eingebauten Getriebezug, der einen Antrieb des Motors in der einen Richtung gestattet. Eine Kupplungseinrichtung gibt den Getriebezug frei, so daß der Getriebe/ug seine Last freigeben kann, das heißt, der Motor bei Freigabe in der entgegengesetzten Richtung gedreht werden kann. Ein Motor dieser Art ^Jo wird beispielsweise von der Firma Bristol-Saybrook. Bristol. Connecticut, mit der Typenbezeichnung 357-2-27D-H vertrieben. Der Getriebezug treibt eine Transportrolle 47 an. auf die zwei flexible Seile 48 gewickelt sind. Bei diesen Seilen 48 kann es sich um Stahlseile mit *5 Umklöppelung handeln. Die Seile oder Kabel sind über Rollen 50 geleitet, die auf sich gegenüberliegenden Seiten des Gestells angeordnet und jeweils in Lagerbügeln 52. die am Gestell 44 befestigt sind, gelagert sind. Das Seil 48 wird mittels Klemmen 54. die w an den Lagerbügeln befestigt sind, in den Rollen gehalten.

In dem (in der Zeichnung) oberen Teil des Gestells ist ein Tachometer-Generator 56 so angeordnet, daß er direkt antriebsmäßig an den Läufer des Motors 10 angeschlossen werden kann. Vom Tachometer-Generator 56 führen nicht dargestellte Leitungen zur Steuerschaltung nach Fig. 1. Das Gehäuse 40 enthält aus Blech geformte Bürstenhalter 60 (gewünschtenfalls können auch andere verwendet werden), die an der so Innenseite der Endplatte 42 des Schutzglocken-Gehäuses 40 befestigt sind. Die Bürstenhalter 60 gestatten das Andrücken der Bürsten 12 an den Kommutator 11 des Motors 10. Die Bürsten 12 sind in den Bürstenhaltern 60 ve-schiebbar. Der Außenteil jedes Halters 60 ist mit " Lsngsschiitzen 54 zur Aufnahme des Endes einer Torsionsfeder 66 und des Endes einer Blattfeder 68 versehen, so daß die Enden nebeneinander liegen und gegen das äußere Ende der Bürste 12 drücken, um den gewünschten Bürstendruck auszuüben. Die Torsionsfeder 66 ist verhältnismäßig schwach und hat eine geringe Federkonstante, so daß die Bürsten mit geringer Kraft, die einer Belastung von beispielsweise etwa 57 g (2 Unzen) entspricht, gegen den Kommutator drücken, ohne daß eine merkliche Reibung entsteht. Die Blattfeder 68 ist dagegen eine starke Feder mit einer hohen Federkonstanten, um eine zusätzliche Kraft auf die Bürsten auszuüben, wie sie normalerweise bei einem Betrieb des Motors mit hoher Drehzahl erforderlich ist, entsprechend einer Belastung von beispielsweise 567 g (20 Unzen) für (.!;n oben genannten Motor. Beide Federpaare 66 und 68 sitzen jeweils auf Fcdertragbolzen 70, die an der Platte 60 befestigt sind. Die Platte 60 ist gegenüber dem Gehäuse 40 durch eine isolierende Platte 61 elektrisch isoliert. Tatsächlich ist die Torsionsfeder auf einem Wickelkörper 65 angeordnet, der auf dem Federtragbolzen 70 gelagert ist.

Den Bürsten Yi wird der elektrische Strom über schraubenlinienförmig gewundene Leitungen 74 zugeführt, die mit Anschlüssen 75 auf den Platten 60 verbunden sind. Das Ende jeder Blattfeder 68 hat einen Einschnitt oder Schlitz 76, der einen Eingriff einer Befestigungsmuttcr 78 in die Feder gestattet. Zu diesem Zweck hat die Mutter 78 eine Ringnut, in die der zugehörige Schlitz 76 eingreifen kann. Eine Bohrung 80 in jeder Mutter 78 gestattet es, die Seile 48 einzuführen und so zu verknoten, daß sie nicht durch die Bohrung hindurchrutschen. Jedes Seil ist ferner über jeweils einen isolierenden Führungsschuh 82 gewunden, der am Gehäuse 40 befestigt ist und eine Umlenkung der Seile aus einer im wesentlichen zur Drehachse des Motors parallelen in eine radiale Richtung gestattet, so daß die Blattfedern 68 von den jeweiligen Bürsten weggezogen beziehungfweise abgehoben werden können.

Wenn der Rückzugsmotor 46 und seine Kupplung eingeschaltet sind, wick -It die Rolle 47 die Seile 48 auf, so daß sie die starken Blattfedern 68 von den Enden der Bürsten abheben und nur die schwächeren Federn 66 gegen die Bürsten 12 drücken lassen. Wenn dagegen die Kupplung des Rückzugsmotors ausgeschaltet wird, gibt er die Rolle 47 frei, so daß der Foderdruck der Blattfedern 68 eine Abwicklung des Seils 48 von der Rolle bewirkt, bis die stärkeren Federn 68 wieder auf die Bürsten drücken und der normale Bürstendruck wieder ausgeübt wird.

Wenn diese soeben beschriebene Bürstenfederrückzugseinrichtung verwendet wird, ist es zweckmäßig, wenn die Steuerschaltung nach F i g. 1 erst mit einer kleinen Zeitverzögerung nach dem Ausschalten des Refraktors anspricht, so daß die Drehzahlregelschaltung den Bürsten nicht eher zusätzliche Energie zuführt, als bis sie ihre Ruhelage erreicht haben. Diese Verzögerungszeit kann durch irgendeine geeignete Einrichtung bewirkt werden, zum Beispiel durch einen monostabilen Multivibrator oder ein Verzögerungsrelais (was nicht dargestellt ist).

Bei einem anderen Ausführungsbeispie¹ der Erfindung kann nur eine einzige Feder für jede Bürste verwendet werden. In diesem Falle wäre jeder Federträger (Zapfen 70 in dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 2 und 3) einstellbar oder verschiebbar (oder drehbar), so daß die von jeder Feder auf die Bürsten ausgeübte Kraft veränderbar ist Dies kann im Falle einer Blattfeder durch Verdrehen des Tragzapfens 70 geschehen. Diese Lösung ist jedoch nicht so günstig wie die Lösung mit der Doppelfeder, weil es manchmal

erforderlich sein kann, für die Federn ein Mittel zur Ausübung einer konstanten Kraft vorzusehen. Die Einstellung der Federposition macht dies mitunter schwierig. Alternaiiv kann die Federposition auch durch einen Zylinder oder eine Membran, die mit Luft oder pneumatisch betrieben werden, verändert werden. Ein elektromagnetisches Betätigungsmittel kann ebenfalls als Hr».'ptantrieb zur Ausübung der gewünschten Kraft verwendet werden.

Zusammengefaßt stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein einfaches Mittel dar, um die Bürstenreibung

zu verringern und eine stetige Drehzahländerung des Motors sicherzustellen. Wenn die Bürstenreibung geringer ist, ist das Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten (Abbremsverhalten) des Motors genauer reproduzierbar und gleichförmiger. Dies ist besonders beim Betrieb einer Zentrifuge erwünscht. In diesem Fall müssen das Beschleunigungs· und Verzögerungsverhalten verhältnismäßig weich und konstant sein, insbesondere bei sehr niedriger Drehzahl. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt dies sicher.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zum Verstetigen der Besehleunigungs- und Verzögerungseigenschaften eines Elektromotors, der einen Kommutator, eine zugehörige Bürste und einen Bürstenhalter aufweist, mit einer ersten Einrichtung zum Andrücken der Bürste an den Kommutator mit einer Kraft die einen ersten Wert aufweist, gekennzeichnet durch eine mit der ersten Einrichtung (20, 22; 66, 68) verbundene zweite Einrichtung (24,26; 44—54) zum Einstellen der Kraft auf einen zweiten Wert, der kleber als der erste Wert ist und durch eine auf eine unter einem vorbestimmten Wert liegende Drehzahl des Motors (10) ansprechende dritte Einrichtung (32—38; 56) zum Betätigen der zweiten Einrichtung (24,26; 44—54) derart, daß die Kraft von dem ersten auf den zweiten Wert verringert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (20, 22; 66, 68) eine erste Feder (20; 68) mit einer zweiten Federkonstanten und eine zweite Feder (22; 66) mit einer zweiten Federkonstanten, die kleiner als die erste Federkonstante ist, aufweist und die zweite Einrichtung (24, 26; 44—54) derart betreibbar ist, daß sie verhindert, daß die erste Feder (20; 68) die Bürste (12) an den Kommutator (11; 14) drückt

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Feder eine Blattfeder (68) ist und die zweite Einrichtung (44—54) ein angetriebenes Kabel (48) zum Abheben der Blattfeder von der Bürste (12) au> weist